universidad nacional de ingenierÍacybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · ii....

46
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA Y TEXTIL CLARIFICACIÓN DE AGUA RESIDUAL GENERADA EN LA FABRICACIÓN DE PAPEL TISSUE CON FINES DE REUSO EN EL PROCESO PRODUCTIVO INFORME DE SUFICIENCIA PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE: INGENIERO QUÍMICO POR LA MODALIDAD DE ACTUALIZACIÓN DE CONOCIMIENTOS PRESENTADO POR: JOHNNY ÁNGEL APAZA CALLA LIMA-PERÚ 2007

Upload: buiduong

Post on 23-Sep-2018

213 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA Y TEXTIL

CLARIFICACIÓN DE AGUA RESIDUAL GENERADA EN LA

FABRICACIÓN DE PAPEL TISSUE CON FINES DE REUSO

EN EL PROCESO PRODUCTIVO

INFORME DE SUFICIENCIA

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO QUÍMICO

POR LA MODALIDAD DE ACTUALIZACIÓN DE CONOCIMIENTOS

PRESENTADO POR:

JOHNNY ÁNGEL AP AZA CALLA

LIMA-PERÚ

2007

Page 2: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

RESUMEN

El presente informe tiene por objetivo hacer conocer los procesos de clarificación

de agua, así como los elementos necesarios para la clarificación en la industria de

papel Tissue, de manera específica se trata de informar acerca de la forma de

reutilización del agua en esta industria, ello debido a que la cantidad utilizada en

la industria de papel Tissue es extremadamente alta.

Hoy en día las industrias papeleras son las actividades que más contaminan el

medio ambiente, es por ello que en el presente informe, se realizarán

procedimientos adecuados con el fin de eliminar y/o reducir la generación de

desperdicios , así también optimizar el empleo de materias primas e insumos en la

industria de papel Tissue.

Se describe las tecnologías de control para las corrientes de residuos de estas

industrias, usando métodos que sean compatibles con los ecosistemas, asimismo

se describe los parámetros de la calidad del agua clarificada aplicables al sector

papelero.

En la corriente de residuos líquidos se detallan las técnicas de clarificación de

aguas, así como los elementos necesarios para la clarificación.

Page 3: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

ÍNDICE

Pág.

I. INTRODUCCIÓN 1

II. CONCEPTOS GENERALES 2

2.1. El papel 2

2.2. Fibras de papel 2

2.3. El papel Tissue 3

2.4. Características técnicas 3

2.5. Aplicaciones 3

2.6. Procesos de fabricación de papel Tissue 4

2.6.1. Recolección 4

2.6.2. Trituración (pulper) 6

2.6.3. Remoción de las impurezas 7

2.6.4. Blanqueo y mejora de la pasta 9

2.6.5. Dispersión 9

2.6.6. Refino 9

2.6.7. Prensas y secadores 10

2.6.8. Secado 11

2.6.9. Pope 11

2.7. El agua en la fabricación de papel Tissue y sus aplicaciones 13'

2.7.1. Utilización de las aguas en la industria de papel Tissue 13

2.7.2. Características del agua que ingresa al proceso de

producción 14

2.7.3 Fuentes de contaminación del circuito de aguas 16

2.7.4. Cierre de los circuitos de agua en la industria papelera 18

Page 4: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

III. PROCESOS DE CLARIFICACIÓN DE AGUA EN LA INDUSTRIA DE

PAPEL TISSUE

3. 1. El concepto de la gestión del agua en la industria del papel Tissue 23

3 .2. Procesos de clarificación de aguas residuales en la industria de

papel Tissue 24

3.3. Tecnologías de control de residuos para efluentes líquidos 26

3.4. Selección del proceso de clarificación para el agua residual de

papel Tissue 27

3. 5. Procesos de clarificación de aguas en flotación por aire disuelto

(DAF)

3.6. Aplicación de polímeros en DAF

3. 7. DAF (principios generales de operación)

IV. CONCLUSIONES

V. BIBLIOGRAFÍA

VI. GLOSARIO DE TÉRMINOS

32

34

34

37

39

40

Page 5: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN

El presente informe aborda en sí el proceso de clarificación del agua residual y el

porque de su tratamiento además de algunos inconvenientes que pueden surgir en

la reutilización. Este tratamiento del efluente se da exclusivamente porque el agua

es uno de los principales insumos que se utilizan en mayor cantidad además de ser

un recurso limitado y con esta reutilización se disminuyen costos de producción.

El reciclado del agua en la fabricación de papel Tissue también afecta a la calidad

del producto final. Los típicos defectos de mal funcionamiento identificados son la

menor resistencia del papel, el deterioro de la calidad en forma de agujeros y

manchas, menor retención, corrosión, problemas de olores, formación de espumas

e incrustaciones.

Para la determinación de la elección del sistema de clarificación se suele realizar

convencionalmente por dos sistemas principales: decantación y la filtración. El

primero consiste en retener en un depósito el líquido que contiene sólidos en

suspensión (normalmente aglomerados en partículas mayores por medio de la

floculación) de modo que decanten al cabo de un cierto tiempo en el fondo, de

donde se van retirando continua o periódicamente. La filtración por su parte

consiste en forzar el paso del líquido a través de medio filtrante (mallas con

diferentes medidas, arena, etc.), donde son retenidos los sólidos, que

posteriormente se retiran limpiando el medio filtrante.

La flotación por aire disuelto es el tercer sistema del que trataremos, se basa en el

principio de la solubilidad del aire en el agua sometida a presión., y agitando el

conjunto por diversos medios, hasta lograr la dilución del aire en el agua.

Posteriormente despresuriza el agua en condiciones adecuadas, desprendiéndose

gran cantidad de micro burbujas de aire. Estas se adhieren a los flóculos en

cantidad suficiente para que su fuerza ascensional supere el reducido peso de los

flóculos, elevándolos a la superficie, de donde son retirados continua o

periódicamente, por distintos medios mecánicos.

Page 6: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

CAPÍTULO 11: CONCEPTOS GENERALES

2.1. El papel

El papel es un afieltrado de fibras unidas tanto fisicamente, por estar entrelazadas

a modo de malla, como químicamente por puentes de hidrógeno. Se cree que fue

inventado por Ts'ai Lun en el año 105. El nombre viene de papiro, que es como se

llamaba un antecedente egipcio del papel, hecho con fibras de la planta del mismo

nombre.

2.2. Fibras del papel

Dependiendo de su origen, las fibras celulósicas empleadas para la obtención de

papel pueden clasificarse en dos grupos, fibras madereras y no madereras.

2.2.1. Fibras madereras

Provienen de especies vegetales que desarrollan un tronco donde se acumulan

preferentemente las mejores fibras. En función del tamaño de las fibras que

proporcionan las diferentes especies se puede realizar una nueva clasificación:

� Fibras cortas: corresponden a árboles de madera dura, como el eucalipto

y algunas especies de frondosas (abedul, chopo, arce o haya), y su longitud

está comprendida entre los O, 75 mm. y los 2 mm. de largo, conteniendo

además un porcentaje más elevado de celulosa.

� Fibras largas: provienen de árboles de madera blanda, fundamentalmente

coníferas como el abeto y el pino, y su longitud está comprendida entre los

3 y 5 mm., resultando la pasta de papel más resistente.

2.2.2. Fibras no madereras

Son originarias de diferentes especies de arbustos. En los países industrializados

se utilizan para producir papeles especiales, sin embargo, en otros países son la

principal materia prima para la fabricación de papel (por ejemplo en China

Page 7: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

3

suponen el 60% de las fibras utilizadas para la producción de papel). Estas fibras

presentan un gran potencial de desarrollo para sustituir a las fibras madereras. Las

especies más utilizadas son: algodón, cáñamo, lino, paja de cereales y fibras

recuperadas.

2.3. Papel Tissue

Se llama papel Tissue a un papel suave y absorbente para uso doméstico y

sanitario, que se caracteriza por ser de bajo peso y crepado, es decir, con toda su

superficie cubierta de microarrugas, las que le confieren elasticidad, absorción y

suavidad.

El crepado aumenta la superficie específica del papel y abre las fibras,

permitiendo mayor capacidad de absorción y mayor flexibilidad que las de una

hoja de papel corriente.

2.4. Características técnicas

Según el uso al que vaya dirigido, necesita unas características técnicas

específicas. Para ello se miden las cualidades del papel. Las más comunes son:

>,, Peso - Gramaje: peso en gramos por unidad de superficie (gr/m2).

>,, Resistencias: resistencia que ofrece el papel frente a la aplicación de una

fuerza, se da tanto longitudinal como transversal.

>,, Blancura: grado de blancura.

}- Resistencia en húmedo: diferencia en mm de una muestra seca y la misma

muestra una vez aplicado un chorro de agua.

2.5. Aplicaciones

Tissue sanitario, se destina a la fabricación de papel higiénico, toallas, servilletas

de cocina, etcétera. Los papeles Tissue son fabricados a base de fibra virgen o

papel reciclado o una mezcla de ambos, y se utilizan en productos de higiene

personal (papel higiénico, pañales, pañuelos.), en el ámbito doméstico (toallas y

servilletas) y como material sanitario.

Page 8: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

4

Fig. 1 Usos del papel Tissue

2.6. Procesos de fabricación de papel tissue

2.6.1. Recolección (reciclaje de papel)

Por reciclaje de papeles se entiende el proceso de recolectar en las ciudades

papeles y cartones ya usados, y transformarlos en nuevos papeles, mediante un

proceso industrial que separa las fibras vegetales útiles, de las impurezas que traen

los papeles en desuso.

El reciclaje de los papeles y cartones usados se inicia con su recuperación p_or

parte de empresas especializadas, que los recolectan desde oficinas, imprentas,

supermercados, centros comerciales y ciudades, para posteriormente llevarlos a

las fábricas papeleras donde servirán de materia prima para producir nuevos

papeles. Así la industria de papel Tissue clasifica al papel reciclado de la siguiente

manera:

Blanco: cuadernos, papel sin color, impresos, fotocopias, libros.

Mixto 1: revistas, papel con fibra mecánica, papel de color, facturas.

Mixto 2: mayor porcentaje de fibra mecánica, revistas de colores, periódicos

etiquetas, etc.

Page 9: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

5

Tabla I Características de los distintos tipos de papel reciclado

Características Blanco Mixto l Mixto 2

Cenizas 15-18% 17-20% 19-21%

Humedad 8-9% 8-9% 8-9%

Fibra Mecánica 0% 25% 50%

Contaminantes 1% 3% 5%

Fig. 2 Fases de clasificación y enfardados de papeles viejos

Page 10: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

2.6.2. Pulper (trituración del papel)

6

La pasta se prepara en un aparato llamado pulper (dispositivo semejante a una

gran batidora), donde se mezcla agua con la pasta de papel. La pasta puede estar

en forma de fardos (muchas hojas de pasta de papel), a granel (pasta de papel

desmenuzada) o, si se trata de una fábrica integrada cuyo proceso de pasta y de

papel se realiza en la misma factoria, en suspensión de agua.

El pulper es una gran cuba, en cuyo interior se encuentra una gran hélice. Al

añadir la pasta de papel, comienza el proceso de disgregación de fibras, primero

por el impacto al caer los fardos, después por el rozamiento de la hélice con la

pasta y finalmente por el rozamiento de las mismas fibras entre sí. Esta acción

genera calor que ayuda a la dispersión.

Según el tipo de producción, se puede usar papel viejo, obteniendo un papel de

menor calidad (papel reciclado). Aunque siempre se mezcla con pasta virgen, ya

que las fibras se estropean, se rompen y dejan de ser útiles para la fabricación. Es

imposible reciclar o reutilizar papel indefinidamente.

Un metro cúbico de dicha pasta está conformado por un 3% a un 16% de fibras

vegetales y sólidos, y el resto es agua. Este porcentaje de fibras, sólidos y agua, se

denomina consistencia de la mezcla. Las impurezas más pesadas, típicamente

metales, se depositan en el fondo del pulper, desde donde son extraídas a través de

placas agujereadas y separadas del proceso de reciclaje.

En el caso de hojas de papel usado de más dificil disgregación, el agua del pulper

es calentada a temperaturas de 65ºC, agregándosele productos químicos, jabones

y otros agentes.

Page 11: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

7

Fig. 3 Trituración de papel (pulper)

2.6.3. Remoción de las impurezas

Las impurezas son materiales indeseados que vienen en el papel usado y que, si

no son removidas, obstaculizarán tanto el proceso de reciclaje, como la posterior

producción de nuevos papeles y cartones. El efecto negativo de las impurezas

hace disminuir la eficiencia de la máquina papelera y reduce la calidad del nuevo

papel a producir.

Las impurezas pesadas incluyen metales, tuercas, pernos, tomillos, alambres, latas

de bebidas, grapas� arena, piedras y vídrios. Estos contaminantes llegan dentro de

los fardos de papel usado y son, por lo general, extraídos en el pulper.

Las impurezas livianas consisten en plásticos, ceras, pegamentos, colas,

autoadhesivos y adhesivos, astillas de madera y tintas de imprenta. La tinta de las

palabras impresas es la más común de las impurezas encontradas y, según haya

sido el tipo de impresión empleado, será más simple o complejo removerla de las

fibras vegetales.

Page 12: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

8

Los sistemas de remoción de las impurezas se diseñan para remover, en primer

lugar, las impurezas de mayor tamaño. Éstas se remueven de la pasta antes de que

puedan romperse en partículas más pequeñas, las que después serían más dificiles

de eliminar. Con un sistema de remoción de impurezas diseñado apropiadamente,

hasta un 99% de las impurezas puede ser removido, dependiendo de la clase de

papel usado que se esté reciclando.

La pasta que proviene del pulper es recibida por una serie de depuradores, que son

grandes conos que centrifugan la pasta igual que una lavadora doméstica,

impulsando por gravedad las fibras y las impurezas más pesadas, para hacerlas

pasar a través de placas ranuradas, que funcionan igual que tamices o coladores,

que permiten el filtrado sólo de las partículas menores, cerrando el paso a las

partículas más grandes. Según avanza el proceso de depuración, las placas

contienen, secuencialmente, ranuras de menor tamaño, de manera que al término

de esta etapa del proceso, sólo las fibras vegetales ingresan a la máquina papelera.

Fig. 4 Depurador de baja consistencia

Page 13: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

9

2.6.4. Blanqueo y mejora de la pasta

En algunos casos, y en función del grado de blancura que se quiere aportar al

papel reciclado, la pasta reciclada se blanquea con cloro, hipoclorito o peróxido, o

preferiblemente con compuestos oxigenados menos contaminantes.

También es habitual que una vez depurada la pasta sea tratada para mejorar la

calidad de la misma. En estos casos se añade pasta virgen u otros productos como

almidón o colorantes.

2.6.5 Dispersión

Esta etapa consiste el reducir el tamaño de las pintas, stickies y gomas.

Fig. 5 Dispersor

2.6.6. Refino

Después, las fibras en suspensión se han de tratar físicamente mediante un

proceso de fricción y unirse entre ellas. A este proceso se le llama refino. Consiste

en frotar las fibras entre sí y contra unos discos metálicos. Esto hace que se

rompan parcialmente y se creen una especie de pelos que son los que crearán los

puentes de hidrógeno y darán al papel mayor resistencia a la tracción.

Page 14: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

10

Cada tipo de fibra papelera y cada tipo de papel usan una refinación distinta que

se adecua a cada necesidad. Al aumentar el grado de refinación de una pasta

disminuye su opacidad, aumenta la resistencia a la tracción y disminuye la

porosidad.

Una vez se le han añadido todos los elementos que se necesitan y la pasta ha

reposado un pequeño tiempo para eliminar la latencia (propensión de la fibra a

enredarse, convirtiéndose en pegotes}, llega a la máquina de papel.

Fig. 6 Refinador

2.6.7. Prensas y secadores

Una vez el papel ya adquirido consistencia, se ha de eliminar toda la humedad

posible, para esta etapa se usa presión y calor aquí la pasta es conducida a través

de prensas que eliminan una cantidad de agua y provocan la unión de las fibras.

Las fibras obtenidas en el proceso de prep�ación de pastas son sometidas a una

depuración final e inyectadas a la sección de formación de la máquina papelera,

que posee una malla sin fin denominada tela, que es donde se forma la hoja de

papel y las fibras se acomodan. En ellas son desaguadas por gravedad y vacío aquí

las fibras quedan retenidas en la parte superior.

Page 15: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

11

2.6.8. Secado

En la fase de secado se elimina el agua que se encuentra dentro de la fibra. La

hoja húmeda es transferida a alta velocidad ( aproximadamente 1400

metros/minutos) a un paño continuo denominado fieltro muy parecido a una

alfombra que la transporta y la traspasa a un cilindro metálico de grandes

dimensiones llamado Y ankee, calentado por dentro con vapor y adicionalmente se

le inyecta por fuera aire caliente a 450ºC y a alta velocidad sobre este cilindro la

hoja es secada casi en un 95%.

2.6.9. Pope

Finalmente, el papel fabricado se enrolla en grandes bobinas para su posterior uso.

Fig. 7 Bobina de papel

Page 16: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

Fig. 8 Proceso de fabricación de papel

DIAGRAMA DE FLUJO PROCESO DE

FABRICACION DE PAPEL

AGUA FRESCA

1

CORTES DE PAPEL

Y/O CELULOSA PULPER

CAPOTA

PAPEL

YANKEE

SISTEMA MAQUINA PAPELERA

AGUA CLARIFICADA

SISTEMA PREPARACIÓN PASTA SISTEMA CIRCUITO DE APROXIMACION

HOMOGENIZACION DEPURACION

LIMPIEZA

RESIDUOS SOLIDOS

MAQUINA PAPELERA

.-!

REFINACION

PASTA+ AGUA

CLARIFICACION

' ¡ 'Q, ¡ JO�'-,

EFLUENTE

Page 17: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

13

2. 7. El agua en la fabricación de papel Tissue y sus aplicaciones

En la fabricación de papel, el principal empleo del agua lo constituye su uso como

medio de dispersión y transporte de las materias primas fibrosas y de los aditivos,

a través de las etapas del proceso de producción, que van desde el pulpeo hasta la

formación. El agua se utiliza también como fluido de intercambio de calor, para el

sellado de los sistemas a vacío, para la producción de vapor, como agente

lubricante, etc. En la Tabla II se resumen los principales usos del agua en esta

industria.

2.7.1. Utilización de las aguas en la industria de papel Tissue (función que

cumple en los distintos procesos)

Tabla II Principales usos del agua en la industria de papel Tissue

Usos Función Ejemplos

Transporte de fibras aditivos, Agua de proceso Transporte

cargas, etc.

Ajuste de Dilución

la consistencia,

preparación de aditivos

Agua para rociadores Mojado de la tela de formación

y toberas Mojado

Lubricante Rodillo de cabeza, de retomo de

la tela, tensor conductor, etc.

Recorte de los laterales de la Corte desborde

banda de papel

Limpieza Limpieza de la tela de formación,

del fieltro, de los rodillos

Dilución Caja de alimentación

Rodillos guía, rodillo supenor, Enfriamiento

partes mecánicas

Page 18: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

14

Células flotación, caJa de Antiespumante

alimentación, etc.

Sistemas de bombas, sistemas de

accionamiento de máquinas, Agua de refrigeración Enfriamiento

fluidos de lubricación, calandrado,

etc.

Producción de Cilindros secadores Agua de caldera

vapor

Agua de sellado Sellado Cajas de vacío, bombas, etc.

Limpieza de la máquina, Agua de limpieza Transporte

depósitos, tuberías.

El volumen de agua consumida depende de numerosos factores (lo cual explica la

disparidad de los datos encontrados), entre los que cabe destacar tres principales:

el tipo de fibra utilizada como materia prima, el producto fabricado y la tecnología

del proceso de producción

)ii;,, Papel tissue: 15-20 m3/Tn de producto.

2.7.2. Características del agua que ingresa al proceso de producción

La gestión de las aguas en la fabricación de papel hace necesario establecer unas

especificaciones de calidad mínima del agua en función del uso al que se destinan.

En cuanto a las aguas de proceso, es imposible establecer con carácter general una

calidad mínima, debido a la gran variedad, tanto de los procesos que se emplean

como de los constituyentes que pueden formar parte de la composición de estas

aguas. En la Tabla III se indican los intervalos típicos de la composición de las

aguas blancas con altos y bajos niveles .de recirculación. La amplitud de los

intervalos se debe a un gran número de factores: tipo de materia prima fibrosa,

tipo y calidad del producto fabricado, condiciones de fabricación, fuente de

alimentación, grado de cierre del sistema de aguas, eficacia de los tratamientos

internos para la clarificación y reutilización de las corrientes de proceso, etc.

Page 19: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

15

Tabla m Intervalos típicos de comparación de las aguas blancas

Parámetros Rango

a) Con altos niveles de recirculación

pH 4.9-7.3

Conductividad (ms/cm) 3-11

DQO (mg/1) 4500-22000

DBOs (mg/1) 2000-8000

Sólidos en suspensión (mg/1) 4500-23000

Sólidos disueltos (mg/1) 1000-10000

Sulfatos (mg/1) 240-2350

Cloruros (mg/1) 130-2950

Sodio (mg/1) 100-800

Calcio (mg/1) 360-2040

Magnesio (mg/1) 30-110

Hierro (mg/1) 0.1-47

Aluminio ( mg/1) 0.5 -53

Colonias de microorganismos aerobios (106 col./ml) 100-300

Colonias de microorganismos anaerobios (10b col/mi) 15-950

b) Con bajos niveles de recirculación (*)

DQO(mg/1) 83 -530

DBOs (mg/1) 46-284

Sólidos en suspensión (mg/1) 11-44.5

Sólidos en suspensión de 0.45 µm (mg/1) 102-124

Sólidos en suspensión en la primera hora (mg/1) 0-0.05

Cloruros (mg/1) 35.5-180

(*) a la salida de separación de fibras por sedimentación

Page 20: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

16

2. 7 .3. Fuentes de contaminación del circuito de aguas

Las fuentes de contaminación de los circuitos de aguas en la fabricación de papel

son: las materias primas fibrosas, los aditivos y el agua de alimentación. A

continuación se estudiará la importancia de las mismas, así como los efectos más

importantes a ser considerados en cada caso en el estudio de la contaminación

producida.

2.7.3.1. Materias primas fibrosas

Las materias primas fibrosas constituyen la fuente de contaminación principal de

las aguas, si bien la naturaleza e importancia de la misma varía considerablemente

en función del tipo de fibra utilizada en el proceso de producción. Los tres

parámetros más importantes son: el contenido de partículas de finos, el contenido

de materia orgánica soluble y la concentración de microorganismos. La

importancia de estos parámetros en función del tipo de fibra utilizada se muestra

en la Tabla IV.

Tabla IV Contaminación del agua de proceso de los distintos tipos de pasta

Contenido Contenido materia Contenido en Tipo de pasta

partículas finas orgánica soluble microorganismos

Mecánica alto alto moderado

Química bajo bajo

blanqueada bajo/moderado

Reciclada sin moderado/alto moderado/ alto alto

destintar

Reciclada bajo/moderado bajo moderado

destintada

Los problemas asociados con los depósitos de materias resmosas en fibras

vírgenes son reemplazados, en este caso, por un gran número de problemas

asociados a los depósitos potenciales de stickies (sustancias pegajosas).

Page 21: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

17

Las fuentes principales de estos contaminantes potenciales son adhesivos de

contacto (polímeros de estireno-butadieno, acrilatos de vinilo, etc.) y adhesivos de

fusión (por ejemplo, el acetato de vinilo). Otros contaminantes son los

aglutinantes que entran a formar parte de las tintas modernas, como por ejemplo,

las resinas alquídicas en los pigmentos de impresión láser.

Además, todos los papeles estucados contienen aglutinantes en su composición

(polímeros de estireno-butadieno, acetato de polivinilo, etc.). Otra fuente de

contaminación importante de las fibras secundarias es la elevada concentración de

microorganismos como consecuencia de la suciedad y la humedad del medio en

que se almacena el papelote antes de su reutilización. Por otra parte, los almidones

presentes en el papel reciclado son un excelente medio de crecimiento para los

microorganismos presentes en el sistema de aguas de proceso, y, por tanto,

favorecen, el desarrollo de microorganismos y, los problemas asociados a los

mismos.

2. 7 .3.2. Aditivos

Los aditivos se consideran la segunda fuente de contaminación de las aguas de

proceso en la industria de papel Tissue. El número elevado de aditivos que se

puede, incorporar durante el proceso de fabricación hace dificil definir la

naturaleza e importancia de esta fuente de contaminación. En la Tabla V se

recogen los principales aditivos utilizados en esta industria, así como su

aplicación más importante.

Descripción

Encolantes internos

Encolantes superficiales

Tabla V Tipos de aditivos

Aditivos funcionales

Usos

Control de la penetración de líquidos

Mejora de las resistencias superficial,

de la lisura, de la resistencia al agua, de

la abrasividad, etc.

Page 22: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

18

Aditivos de resistencia en seco Aumento de la resistencia en seco

Resinas de resistencia en húmedo Aumento de la resistencia en húmedo

Pigmentos Colorantes, meJoran las propiedades

ópticas y de impresión

Cargas Sustitución de las fibras celulósicas

Aditivos de proceso

Acidos, bases y sales Control del pH, meJora de la

formación, retención y drenaje

Agentes de pulpeo y destintaj e Pulpeo y destintado del papelote

Aditivos de retención Mejora de la retención de fibras, finos,

Aditivos de drenaje

Biocidas

Floculantes y agentes de fijación

cargas y pigmentos

Mejora de la eliminación del agua

Control . .

del

m1croorgamsmos

crecimiento

Control de grumos y stickies

de

Inhibidores de incrustaciones y Control de la formación de depósitos y

corrosión de la corrosión

Antiespumantes Control de espumas

Agentes de limpieza Limpieza y acondicionamiento

tela y del fieltro

2.7.4. Cierre de los circuitos de agua en la industria papelera

2.7.4.1. Alternativas mas frecuentes

de la

Si el agua se utilizase en la fabricación de papel en circuitos totalmente abiertos,

el consumo de agua sería técnica, económica y ecológicamente inadmisible en la

actualidad. Por tanto, todas las fábricas utilizan, en mayor o en menor medida,

algún grado de reciclado del agua en el proceso de fabricación. Las alternativas

más frecuentemente adoptadas en la industria papelera para la reducción del

consumo de agua son:

};;, Reutilización de las aguas como aguas de proceso.

� Reutilización del agua clarificada para diferentes aplicaciones.

Page 23: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

19

);;- Reutilización del efluente después de su tratamiento como agua de

alimentación.

Dado a que en el proceso si se genera agua residual los cuales contienen sólidos

totales disueltos, fibras celulósicas, microorganismos, aditivos químicos que son

empleados como insumos en el proceso, etc.

2. 7 .4.2. Consecuencias

Los problemas asociados al cierre de los circuitos de las aguas como consecuencia

de la acumulación de sustancias contaminantes en las aguas de proceso son de

muy diversa índole, si bien se pueden clasificar de forma general por los

problemas asociados:

- Incremento de los só1idos en suspensión.

- Incremento de la materia disuelta y coloidal.

- Incremento de la temperatura.

En la Tabla VI aparecen los valores típicos de la calidad del agua clarificada.

Tabla VI Valores típicos de la calidad del agua clarificada

Tipo de papel Sólidos en suspensión a la salida del � Turbidez del agua

clarificada ( mg/1) clarificada (NTU)

Papel Tissue 17 - 32 5 - 100

En la Tabla VII aparecen los principales problemas encontrados en la fábrica de

papel Tissue. Estos problemas se traducen en los siguientes efectos perjudiciales:

);;- Efectos en la productividad de la máquina: peor retención y desgote,

formación de depósitos e incrustaciones, incremento de la frecuencia de

roturas, etc.

);;- Efectos en la eficacia de los aditivos.

);;- Efectos en la calidad del papel: mala formación, disminución de la

opacidad y blancura, presencia de agujeros, suciedad, pérdida de

resistencia mecánica y química, etc.

Page 24: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

20

Tabla VII Consecuencias del cierre del sistema de aguas en la industria de

papel Tissue

Ventajas Inconvenientes

Aumento de los sólidos en suspensión

Menor producción de lodos Bloqueo de tuberías y rociadores

Manchas en el producto

Formación de depósitos

Menor pérdida de materias primas Abrasión

Reducción de la vida de la tela

Aumento de finos

Modificación de la capacidad de drenaje

Aumento de los sólidos disueltos

Incrustaciones

Formación de depósitos y grumos

Mayor retención de Ja materia Incremento de la actividad microbiológica

disuelta Corrosión

Color

Desequilibrio de la química del wet-end

Aumento de la temperatura

Mejora de los procesos de drenaje Problemas de encolado

Reducción de la capacidad de las bombas

Menor consumo energético de vacío

Incremento y/o alteración de la actividad

microbiológica

Page 25: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

21

Los problemas asociados al incremento de los sólidos en suspensión son los más

fáciles de resolver, por cuanto estos compuestos pueden ser eliminados mediante

sistemas de clarificación de las aguas de proceso. Sin embargo, una concentración

elevada de los mismos puede dar lugar a graves problemas por depósitos en

distintas partes del proceso de fabricación, mayor consumo de aditivos y pérdidas

de propiedades fisicas en el producto final. El ejemplo más característico son los

bloqueos de los rociadores en aquellas fábricas que reutilizan el agua de proceso

para esta aplicación.

Los problemas asociados al aumento de la materia orgánica en suspensión son

similares a los que se exponen a continuación referidos a la aglomeración de

materia coloidal. Con respecto al crecimiento de los sólidos inorgánicos en

suspensión, hay que considerar los efectos perjudiciales del incremento de cargas

en las aguas de proceso. A modo de ejemplo, pueden citarse:

}i;> Incremento de depósitos en los equipos de fabricación.

}i;> Incremento la abrasión en partes móviles, como bombas, rodillos, telas.

}i;> Reducción de la resistencia fisica y química del producto.

}i;> Disminución de la eficacia de determinados aditivos: agentes de encolado,

colorantes, etc.

}i;> Incremento de espumas cuando el carbonato cálcico se encuentra en medio

ácido.

Los problemas asociados al incremento de la materia disuelta y coloidal son los

que presentan una mayor importancia en la fabricación de papel. Se deben, en

general, al aumento de la concentración de sales inorgánicas, de la materia

orgánica y de los microorganismos.

La acumulación de sales inorgánicas en el sistema es uno de los aspectos

importantes que hay que considerar como detrimento en el cierre del sistema de

las aguas de proceso, debido al número elevado de problemas que pueden

acarrear, tanto en el proceso de producción, como en el producto. Los principales

problemas asociados con el incremento de la concentración de sales disueltas en

las aguas de proceso son:

Page 26: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

22

� Posible disminución de la resistencia fisica del producto.

� Alteración de la química de la parte húmeda de la máquina de papel por la

interacción de las sales con aditivos incorporados en el proceso.

� Disminución de la blancura en presencia de altos niveles de Fe3+

� Incremento de los niveles de corrosión.

� Formación de depósitos de derivados del aluminio en procesos que operan

a pH superior a 5 y a altas concentraciones de especies de aluminio.

� Formación de incrustaciones inorgánicas debido a reacciones de

precipitación.

� Incremento del crecimiento microbiano como consecuencia del valor

nutritivo de las sales inorgánicas.

En cuanto a la materia disuelta y coloidal de naturaleza orgánica, los problemas

relacionados con los distintos tipos de pitch o grumos de resinas stickies o grumos

pegajosos y depósitos de microorganismos son los más importantes para los

fabricantes de papel. Estos depósitos son los responsables de problemas tales cono

la modificación de la química de la parte húmeda, la formación de depósitos en

los equipos y en el producto final, corrosión, producción de malos olores, roturas

de la banda de papel, etc.

Page 27: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

ID. PROCESOS DE CLARIFICACIÓN DE AGUAS EN LA INDUSTRIA

DE PAPEL TISSUE

3.1. El concepto de la gestión del agua en la industria de papel Tissue

(naturaleza del informe)

El presente informe aborda en sí el proceso de clarificación del agua residual y el

porque de su tratamiento además de algunos inconvenientes que pueden surgir en

la reutilización. Este tratamiento del efluente se da exclusivamente porque el agua

es uno de los principales insumos que se utilizan en mayor cantidad además de ser

un recurso limitado y con esta reutilización se disminuyen costos de producción.

El reciclado del agua en la fabricación de papel Tissue también afecta a la calidad

del producto final. Los típicos defectos de mal funcionamiento identificados son la

menor resistencia del papel, el deterioro de la calidad en forma de agujeros y

manchas, menor retención, corrosión, problemas de olores, formación de espumas

e incrustaciones.

Este mal funcionamiento viene relacionado con la inevitable acumulación de

materia coloidal y disuelta conforme se van cerrando los circuitos del agua de

proceso.

Estos materiales pueden ser especificados a título de ejemplo corno sigue:

¡.. Residuos aniónicos.

¡.. DBO yDQO.

¡.. Stickies.

¡.. Ácidos grasos volátiles (VFA; Volatile Fatty Acids).

¡.. Calcio ( como dureza de calcio).

¡.. Sales.

¡.. Microorganismos.

El nivel de acumulación está claramente. relacionado con el grado de cierre.

Cuanta más agua es recirculada al proceso, mayor cantidad de materiales pueden

ser detectados en los circuitos del agua de proceso.

Page 28: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

24

3.2. Procesos de clarificación de aguas residuales en la industria de papel

Tissue

La función de separar los sólidos del líquido, en el que se encuentran en estado

suspensión por su reducido tamaño, es primordial para infinidad de aplicaciones,

tanto industriales o bien para recuperar los sólidos valiosos, evitando su pérdida

en un efluente industrial (por ejemplo las fibras celulósicas en la industria

papelera), o bien para clarificar el líquido, reduciendo al máximo los sólidos en

suspensión.

En la industria de papel Tissue existen varios procesos de clarificación de aguas

residuales adicionales entre ellas vamos a mencionar algunas importantes:

)i> Decantación

)i> Filtración

)i> Flotación por aire disuelto

3.2.1. Clarificación de aguas con sistemas de membranas

Una filtración convencional no puede eliminar eficazmente los sólidos y materia

coloidal por debajo de 1 µm de tamaño. Una alternativa para dicha clarificación es

la floculación de la materia coloidal y su filtración con membranas.

La filtración por membrana es una técnica que separa las partículas en función de

su tamaño. El filtrado se denomina permeado y el concentrado se denomina

retenido. El modo qe operación se muestra en la figura. Lo más habitual es utilizar

un gradiente de presión para producir la separación.

Page 29: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

Fig. 9 Sistemas de membranas tubulares

t·Perme;;:,,-no

111� [[ �I � i1 l�i 11 ij1i �I i [i � 11 li �ílj li l�i 1íl11Í � [I iíl1 il i1 ��;!;�: 11 1 > • • · E

,J;-:>clo,11111 ¡�� 1 l111líl 111 lffil I il l1i1�1111mi 1111 i 1 1 � 11 I� 111 � 1111 lt\\��¡��* :111 .. • + • • + • • • • •

+. • • + • • ... • • • + • .. + • • • . • • + .. • " • •

• Pe,me.iJdo

Re1e.11ido

A continuación se mencionan algunos aspectos que afectan a la selección de la

tecnología de membrana:

� La corriente de entrada, su composición y la carga hidráulica.

� El caudal de agua clarificada y la calidad requerida.

� Las filtraciones con elevadas presiones producen aguas muy clarificadas,

pero consumen más electricidad y deben ser equipadas con sistemas de

tratamiento eficientes para evitar el taponamiento de las mismas.

3.2.2. Tratamiento de efluentes mediante el uso de ozono

Debido al proceso de coloración las aguas contaminantes presentan un elevado

contenido de contaminantes. Tratamiento del agua clarificada en el proceso de

flotación de las aguas blanca de las máquinas de papel por filtración, y posterior

ozonización para su reutilización en el proceso, evitando así su vertido.

Con el tratamiento implantado se lograron buenos valores de decoloración de

aguas con dosificaciones de Ü3 entre 20 y 55 g/m3 para aguas poco coloreadas y

de 65 a 80 g/m3 para aguas coloreadas intensamente.

Page 30: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

26

Además de estos efectos, se logra una reducción en el consumo de aditivos de

desgote para los lodos de unas 20 Tn/año, con la ventaja adicional de reducir el

efecto ambiental que produce el vertido de este tipo de productos. El

inconveniente es que la instalación del proceso es de costo muy elevado.

3.3. Tecnologías de control de residuos para efluentes líquidos (procesos de

clarificación aplicables al agua residual en la fabricación de papel

Tissue)

Para la fabricación de papel Tissue esta función se suele realizar

convencionalmente por dos sistemas principales: decantación y la filtración. El

primero consiste en retener en un depósito el líquido que contiene sólidos en

suspensión (normalmente aglomerados en partículas mayores por medio de la

floculación) de modo que decanten al cabo de un cierto tiempo en el fondo, de

donde se van retirando continua o periódicamente. La filtración por su parte

consiste en forzar el paso del líquido a través de medio filtrante ( mallas con

diferentes medidas, arena, etc.), donde son retenidos los sólidos, que

posteriormente se retiran limpiando el medio filtrante.

Flotación por aire disuelto

La flotación por aire disuelto es el tercer sistema. Se basa en el principio de la

solubilidad del aire en el agua sometida a presión. Consiste fundamentalmente en

someter el agua bruta ya floculada a presión durante cierto tiempo en un

recipiente, introduciendo simultáneamente aire comprimido y agitando el

conjunto por diversos medios, hasta lograr la dilución del aire en el agua.

Posteriormente despresuriza el agua en condiciones adecuadas, desprendiéndose

gran cantidad de micro burbujas de aire. Estas se adhieren a los flóculos en

cantidad suficiente para que su fuerza ascensional supere el reducido peso de los

flóculos, elevándolos a la superficie, de donde son retirados continua o

periódicamente, por distintos medios mecánicos.

Page 31: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

27

Con objeto de ahorrar energía por un lado y por otro para evitar al máximo la

posible destrucción de flóculos en el turbulento proceso de creación de micro

burbujas, normalmente no se presuriza el caudal total de tratamiento, sino un

caudal parcial de agua clarificada recirculada suficiente para crear las micro

burbujas necesarias para el proceso.

3.4. Selección del proceso de clarificación para el agua residual de papel

Tissue

Para la selección del proceso solo mencionaremos las ventajas que ofrece el

proceso de flotación por aire disuelto con respecto a los demás procesos. La

flotación por aire disuelto presenta grandes ventajas, entre las que destacaremos

siguientes:

3.4.1. Tiempo de retención

La flotación es un fenómeno mucho más rápido que la sedimentación, precisando

tanto un espacio ocupado mucho menor y un tiempo de retención muy breve.

3.4.2. Concentración de los sólidos separados

Los sólidos decantados están sumergidos permanentemente en un medio líquido,

por lo que su concentración tiene un límite muy bajo. Los sólidos flotados, por el

contrario, están sobre un medio líquido, pero en contacto con el aire, pudiendo

alcanzar concentraciones muy superiores a los sedimentados.

3.4.3. Productos químicos

Los flóculos convenientes en la sedimentación deben ser grandes y bien formados,

con objeto de acelerar el proceso. Para ello es precisa la adición de determinadas

cantidades de productos químicos y la retención previa en floculadores para la

buena formación de los flóculos.

Page 32: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

28

La flotación, en cambio, necesita solamente flóculos incipientes de reducido

tamaño, suficiente para la adhesión de las micro burbujas. La cantidad necesaria

de productos químicos será consiguientemente menor, así como el tiempo de

formación del flóculo.

A modo de ejemplo mediante un problema de aplicación determinaremos una de

las formas de la elección de éste proceso de clarificación:

Calcular la velocidad de sedimentación de un flóculo particulado de 1 O µm con

una densidad de partículas de 111 O kg/ m3 para una temperatura de agua en

verano de 20ºC y en invierno de 4ºC; así también calcular la velocidad

ascensorial de este flóculo agregado a una burbuja de aire de 40 µm para las

mismas condiciones de temperatura.

Desarrollo del ejemplo:

a) Velocidad de sedimentación del flóculo. Para resolver el problema se requiere

la densidad del agua y la viscosidad absoluta para las dos temperaturas del agua:

Temperatura (ºC) Densidad (kg/m_j) Viscosidad Absoluta (N.s/ml)

4 999,97 1 6527 * 10-J ' 20 998,20 1 0019 * 10-J ,

>-" Para 20ºC según la ley de Stokes para sedimentación de partículas. La

ecuación:

vp= g (pp- Pw)d/= 9,8(1 l 10-998,2)(10xl0-6)2m x 3600 s = 0,002 m/h

18 µ 18 X 1,0019 X 10-3 S X

>-" De la misma forma para 4ºC: vp= 0,012 m/h

h

b) Velocidad ascensorial de una burbuja de aire de 40 µm agregada a una partícula

flocular de 1 O µm. Para resolver el problema se precisan las constantes de

Page 33: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

29

densidad del agua y de viscosidad (presentadas antes) y las densidades del aire

(saturado con vapor de agua) a 4ºC y 20ºC son 1,27 y 1, 19 kg/m3 respectivamente.

� Para20ºC:

Para calcular ]a ve]ocidad ascensorial, deben calcularse la densidad de ]a

burbuja de aire con partícula flocular agregada y el diámetro equivalente de la

partícula-burbuja flocular agregada. Se usan las siguientes ecuaciones

(ecuaciones modificadas de Stokes):

103 + 403

Nótese que e] diámetro esférico equivalente del agregado flocular partícula­

burbuja no es mucho mayor que la burbuja. Esto es porque db >>dp . A partir

de la siguiente ecuación se determina la velocidad ascensorial del aglomerado

partícula-burbuja:

Vpb = g (Pw- Pph)dpb2

= 9,8(998,2-18,1)(40,2 X I0-6)2m X 3600 s = 3,1 m/h

18 µ 18 X 1,0019 X 10-3S X

� Para los 4ºC los resultados son los siguientes:

Ppb = 18,2 kg/m3

dpb = 40,2 µm

Vpb = 1, 9 mfh

h

Estas velocidades ascensoriales son mucho mayores que las velocidades de

sedimentación de las partículas y demuestran de un modo el porque de su

utilización en el caso de la industria de papel tissue.

Page 34: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

30

En el caso de la industria de papel tissue el método utilizado para clarificar el

agua es de flotación por las ventajas explicadas anteriormente.

Donde:

vp : velocidad de sedimentación del flóculo

g : gravedad

PP : densidad de la partícula (flóculo}

Pw : densidad del agua

dp

: diámetro de la partícula

Vpb : velocidad ascensorial del aglomerado partícula-burbuja

Ppb : densidad de la burbuja de aire con partícula flocular agregada

dpb : diámetro equivalente de la partícula-burbuja flocular agregada

Nab: número de burbujas de aire agregado a la partícula flocular

Ph densidad del aire (saturado con vapor de agua)

db diámetro de la burbuja de aire

µ : viscosidad

En base a los datos de la velocidad de ascenso de los flóculos podemos

dimensionar el tanque clarificador, partiendo de la ley de Henry ( diferencia de

solubilidades).

Donde:

Sa

F

p

p

Sa

R

=

=

A= 1,3sª(Fp-1)Rs sa Q

Ec. 6.37 Ingenieria de agua residuales Metcalf

relación óptima aire - sólidos ml (aire)/ mg (sólidos)

solubilidad del aire (ml/1)

fracción de aire disuelto a la presión P

presión, atm

presión manométrica, kPa

concentración de sólidos en el fango, mg/1

caudal de recirculación presurizada , m3 /día

Page 35: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

3 1

Q caudal de líquido -mezcla , m3 /día.

Datos:

0.008 ml/mg

T = 2 0ºC

sa(solubilidad del aire) = 18,7 mVl

Presión del sistema de recirculación = 4 00 kPa = 400 + lOl,35 = 4 ,95 atm

101,35

Fracción de saturación = 0.5

Carga de superficie = 8 Vm2 x min.

Caudal de líquido mezcla = 4 00 m3 /día

Tiempo de retención = 1 h = 0,04 17 día

Sa = 3 000 mg/1

O 008 = 1,3 (18, 1ml / l) [0,5( 4 ,95) -1] R' 3 000 mg / l ( 400m3

/ d)

R =267 ,73 m3 /d

A= 267 ,73m3

8 l/m2 x min (60 mini h) (2 4h /d) ( 10-3 m3 Id)

A = 23 ,4 m2

7t r2 = 23 4m2

'

r = 2,72 m

Q= V

t =

H(a1tura tanque) = O, 72 m

400 m3/d = 23 ,24 m

2 x H

0,0417d

H = 0,72 m (1,3) multiplicado por 1,3 (factor de rebose)

H=0,94m.

Page 36: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

32

3.5. Procesos de clarificación de agua en flotación por aire disuelto

3.5.1. Elementos necesarios en la clarificación

� Coagulante (inorgánico o sintético).

� Floculante.

� Aire.

� Agua a clarificar.

A continuación se presentan algunos ejemplos del tiempo de decantación de

distintas partículas.

Partícula Dimensión

Piedra 100mm

Arena 0.1mm

Silt 0.01mm

Bacteria 0.001mm

Partículas coloidales 0.0001mm

3.5.2. Necesidades y aplicaciones de los polímeros

Tiempo

2 seg.

80 seg.

110 rnin.

180 horas

2 años

Los polímeros son necesarios en el proceso de clarificación ya que con ellos se

forman partículas de adecuado tamaño para la mejor flotación de dichas partículas

así los típicos tratamientos para clarificación son:

� Floculante catiónico.

� Coagulante catiónico mas floculante catiónico.

� Coagulante catiónico mas floculante aniónico.

Page 37: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

3.5.3. Inyección de aire al sistema

};> Flujo total.

};> Flujo parcial.

};> Recirculación.

33

3.5.4. Etapas en el proceso de flotación por aire disuelto

};> Coagulación: neutralización de cargas como resultado de la modificación

de la carga de cada partícula, de manera que éstas no se repelen mas.

};> Floculación: después de la neutralización de cargas se forman puentes en

las partículas coaguladas .asociándose en agregados discretos.

Produce estructuras de flocks compactas y pequeñas.

Fig.10 Etapas en el proceso de clarificación

Floculación Formación de pares entre las partículas, por la acción de los

polímeros, generando aglomerados discretos.

llaacion del Floculante

Coagulación

Floculacion por Bridging de las Partículas

Disminuye las fuerzas de repulsión entre la carga y finos a través de formación de "patches" (neutralizazción de cargas).

o+

o Finos y Cargas

Coagulante

..

Aglomemclon de Finos y Cargas por "Patching·

Page 38: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

34

3.6. Aplicación de polímeros en DAF

� Aire disuelto en agua y control de tamaño de burbujas a través de caída de

presión.

� Utiliza principio de la "velocidad cero" para permitir la flotación de los

flóculos.

� Sólidos son removidos en cuchara de rotación.

>" Polímero es inyectado inmediatamente antes del clarificador.

� Coagulante o sulfato de aluminio alimentado en la succión de la bomba de

alimentación.

3.7. DAF-Principios generales de operación

� La flotación por aire disuelto utiliza los principios de velocidad "cero"

permitiendo una flotación de sólidos mas efectiva.

>" El aire es disuelto sobre presión, para flujo total o parcial (típico 25% de

reflujo).

>" Se utiliza un ADT (tubo de dilución de aire) para generar microburbuja.

>" Se requiere presión en la entrada del ADT y a través de una válvula de

globo, la que produce mayor corte para generar burbujas de aire de tamaño

correcto.

� Entrada típica de presión es 5.5 bar con caída de presión de 0.5 bar (salida

del ADT 5 bar).

� El agua aireada se mezcla en el flujo principal permitiendo la formación de

"microburbujas" cuando se tenga presión atmosférica.

>" Estas burbujas se adhieren a los flóculos, causando la flotación.

El sector de la industria de papel Tissue consume una gran cantidad de agua por lo

que es necesario aumentar el grado de cierre de los circuitos. Para cerrar los

circuitos evitando la acumulación de contaminantes es necesario clarificar las

aguas de proceso antes de su reutilización.

Page 39: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

35

Procedimiento en el proceso DAF:

La suspensión a tratar, proveniente del proceso, se satura en aire, total o

parcialmente y se introduce por la parte inferior de la célula de flotación donde se

expande y como resultado se desprenden burbujas de aire que estaban absorbidas

en el seno del líquido. Las burbujas formadas atrapan las partículas de sólido y

suben a la superficie, formando espumas que serán recogidas para su eliminación

por medios mecánicos, mediante un sistema denominado cucharón, que no es más

que un tronco de cono que gira sobre la superficie del agua, recogiendo las

espumas formadas. El cucharón tiene en su interior una espiral para romper las

espumas y que éstas se recojan más fácilmente por el depósito interior de la

célula.

Se produce, igualmente, un fenómeno de sedimentación de las partículas y de los

agregados. Este sedimento es un desecho que se recoge mediante rascadores

situados en el fondo del depósito y se eliminan por la parte inferior de la célula.

Las aguas clarificadas, se obtienen por la parte lateral de la célula, donde la

formación de espumas es menor.

Fig.11 Obtención del agua clarificada de un proceso DAF

Cucharon

Alimentación

saiuracfa en

aire

Espuma

Agua cf¡ra

Sedimento

Page 40: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

Fig.12 Equipo de clarificación de agua (Supercell)

Page 41: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

IV. CONCLUSIONES

4.1.Reutilizar el agua en la industria de los procesos y en caso en la industria del

papel Tissue (por el volumen de agua utilizado entre 15 a 20 m3 por

Tonelada de papel producido), es muy importante ya que el agua es un

recurso natural limitado.

4.2.De la obtención de una adecuada clarificación de las aguas me indica que el

producto final tenga las características de un producto que se adecúe a los

estándares de control de calidad.

4.3.Usando la técnica DAF para el tratamiento de las corrientes adecuadas se

puede ajustar continuamente el grado de cierre de los circuitos del sistema

de agua, alcanzando la calidad de agua requerida para su reutilización en

distintas partes del proceso.

4.4.La flotación por aire disuelto (DAF) es un proceso para la eliminación del

material fino en una suspensión acuosa. La energía necesaria para la

flotación eficaz se aporta en la forma de burbujas de aire extremadamente

finas que se unen al material en suspensión. La atracción entre las

microburbujas y las partículas es un resultado de las fuerzas de adsorción,

que son función de las características de la superficie de la partícula, y de la

atracción fisica en la partícula.

4.5.La principal ventaja de la DAF es que además de eliminar los sólidos en

suspensión se puede eliminar parte de la materia coloidal presente en las

aguas.

4.6.La unión de dichas burbujas a la partícula reduce su densidad dando por

resultado una creciente flotabilidad, produciéndose la ascensión de dichos

agregados a la superficie, formándose espumas.

4.7.Los lodos flotados se separan, se desgotan y se evacuan con los residuos

sólidos de la planta.

4.8.Generalmente, se utilizan coagulantes y/o floculantes para favorecer la

desestabilización de la materia disuelta y coloidal, formando flóculos que se

unen más fácilmente a las burbujas formadas.

Page 42: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

38

4.9.La eficiencia óptima del sistema es buena, pero depende de diversos factores

que deben ser monitorizados y controlados: pH, caudal, tamaño de las

burbujas de aire, consistencia de las aguas, dosificación de floculantes, etc.

4.1 O. Con respecto a la materia prima utilizada es de gran importancia

ambiental, ya que los papeles y cartones usados se aprovechan como materia

prima en la industria papelera. De no ser así, se convertirían en desperdicios

urbanos, lo que obligaría a construir nuevos vertederos sanitarios en las

ciudades.

4.11. Por otra parte, el aprovechamiento de los papeles y cartones usados para

fabricar nuevos productos ·permite un considerable ahorro de materia prima,

aspecto que favorece los sistemas de fabricación de productos de papel con

fibra reciclada.

4.12. Es posible promover el reuso, la reducción y el reciclaje de las cajas y

otros envases y embalajes, así como incentivar a las organizaciones de las

comunidades, a los supermercados, escuelas y tiendas, a la instalación de

programas de reciclaje de papel y cartón.

Page 43: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

V. BIBLIOGRAFÍA

1) CASEY J.P. "Pulpa y papel - Química y Tecnología química". Tercera

edición. Editorial Limusa. México DF. 1991. Sistemas de recirculación del

agua blanca Pág. (486-501).

2) VERGARA Y.F. "Tratamiento de aguas industriales". Segunda edición.

Kovi Editores. Lima -Perú. 1985. Capítulo III Purificación del agua

industrial Pág. (91-103).

3) HENGLEIN F.A. "Tecnología Química". Segunda edición. Urmo S.A.

Ediciones. España. 1975. Capítulo 2 Sedimentación (clarificación)­

Flotación (tratamiento) Pág. (113-116).

4) SMOOK G.A. "Manual para técnicos de pulpa y papel". Tappi Tecnology

Park Atlanta. USA. 1990. Capítulo 1 Importancia del papel Pág. (1-5).

5) URSO Servicios Medioambientales, S.L. http://www.urso.es/

6) Estudios de impacto ambiental, http://www.tanswer.cl/

Page 44: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

40

GLOSARIO DE TÉRMINOS

Algodón: cuyas fibras tienen una longitud superior a los 12 mm y se utilizan en la

fabricación de papeles finos de escritura.

Bagazo: Cáscara que queda después de desecha la baga ( cápsula que contiene las

semillas del lino) y separada de ella la linaza.

Blocks: piezas de madera libre de nudos de largos variables

Cáñamo: con fibras de longitud superior a los 5 mm, procedentes de cordeles

viejos y otros desperdicios. Sirven como materia prima para la producción de

papel de fumar.

Celulosa: Sustancia que conforma las paredes celulares de las plantas.

Consistencia: corresponde al porcentaje de fibras y/o sólidos suspendidos

contenida en la solución, medida en porcentaje en base seca.

Cuchillo crepador: lámina metálica aplicada al cilindro secador que separa de

éste la hoja de papel y la arruga, otorgándole una textura rugosa que imita a la del

género y que le da sus propiedades de flexibilidad, absorción y suavidad.

Drenaje: Desagüe, natural o artificial, de un terreno. Conjunto de obras realizadas

para asegurar la evacuación del exceso de agua de un terreno. Drupa: Fruto

carnoso, procedente de un solo carpelo, con un hueso en su interior ( endocarpo

leñoso).

Fibra: Célula alargada, fusiforme o filiforme, mucho más larga que ancha.

Gramaje: es la masa de la unidad de superficie del papel expresada en gramos

por metro cuadrado. Esta medida es importante ya que de la misma depende la

regulación de la pasta de papel en la máquina, en función del peso en gramos por

metro cuadrado que se va a dar al papel

Page 45: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

41

Gofrado: creación de una textura rugosa que imita la del género mediante un

cuchillo especializado.

Hemicelulosa: elemento que forma parte de la pared celular de la celulosa. Es una

cadena de glucosa más corta que la celulosa.

Lignificado: Con incrustación de lignina y otras sustancias en las membranas

celulares. Convertido en madera.

Lignina: Sustancia que refuerza las células, confiriéndoles consistencia y rigidez.

Lodos: residuos sólidos y pesados, resultantes del proceso de filtrado del licor

blanco.

Madera: Tejido principal de sostén y conducción de agua de los tallos y raíces.

Se caracteriza por la presencia de elementos traqueales. Prácticamente es la parte

sólida sin corteza proveniente del tronco, ramas o raíces de un árbol.

Papel tissue: papel suave y absorbente para uso doméstico y sanitario, que se

caracteriza por ser de bajo peso y crepado.

Pigmento: Sustancia coloreada.

Polímero: compuesto químico natural o sintético que consiste esencialmente en

unidades estructurales repetidas.

Polvo de papel: más que de una característica podemos hablar de un defecto del

papel, debido a la presencia de partículas que por frotación se desprenden del

papel durante la impresión o la transformación del mismo. Este defecto está

presente fundamentalmente en las pastas mecánicas, en las pastas poco refinadas o

en las pastas recicladas.

Proceso Kraft: es el proceso de fabricación de celulosa química más común a

nivel mundial, caracterizada por ser un proceso eficiente, cíclico y cerrado. Los

Page 46: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAcybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/8946/1/apaza_cj.pdf · II. CONCEPTOS GENERALES 2 2.1. El papel 2 ... es uno de los principales insumos que se

42

chips de maderas son cocidos en una solución alcalina basada en sulfitos y soda

cáustica para extraerle la lignina, que luego es quemada para generar la energía

necesaria en los procesos y los químicos se recuperan para usarlo nuevamente.

Pulpa: Suspensión acuosa del producto resultante de la madera tratada por

desintegración mecánica o tratamiento químico. En el primer caso, la pulpa (p.

mecánica) está formada por minúsculos fragmentos de madera; en el segundo

(pulpa química) está formada por fibras celulósicas, habiendo sido separada la

lignina por digestión química a partir de una pulpa mecánica. Existen tratamientos

intermedios y variantes de los químicos, que proporcionan diferentes variedades

de pulpas.

Pulpa blanqueada, sulfato: Pulpa química de madera al sulfato (kraft) y a la

sosa, excepto la soluble. Pulpa de madera obtenida reduciendo mecánicamente a

partículas pequeñas madera de coníferas o no coníferas, y cociéndola después en

autoclave en presencia de licor de cocción consistente en una mezcla de hidróxido

de sodio y sulfuro de sodio. Las dos clases son: blanqueadas (incluidas las

semiblanqueadas) y sin blanquear.

Pulpa blanqueada, sulfito: Pulpa química de madera al sulfito, excepto la

soluble. Pulpa de madera obtenida reduciendo mecánicamente a partículas

pequeñas madera de coníferas o no coníferas, y cociéndola después en autoclave

en presencia de licor de cocción al bisulfito. Las dos clases son: blanqueadas

(incluidas las semiblanqueadas) y sin blanquear.

Pulpa de madera, mecánica: Pulpa de madera obtenida moliendo o desfibrando

troncos, cartones, rollizos, etc., o refinando astillas de coníferas o no coníferas.

Puede ser blanqueada o no. No se incluye. la pulpa de fibras desintegradas y la

desfibrada y sí, la pasta quimiomecánica y la termomecánica.